หน่วยการเรียนรู้ที่ 13

ไฟฟ้าสถิต

ไฟฟ้าสถิต คืออะไร

ไฟฟ้าสถิต หรือ Static electricity เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากความไม่สมดุลของปริมาณประจุไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบภายในวัสดุหรือบนพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งประจุไฟฟ้าเหล่านั้นจะยังคงอยู่จนกระทั่งเกิดการเคลื่อนที่หรือมีการถ่ายเทประจุ (Electrostatic Discharge)

โดยปกติแล้ววัสดุทุกชนิดมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า (มีปริมาณของประจุบวกและประจุลบอย่างละเท่า ๆ กัน) แต่หากมีการขัดถู สัมผัส หรือเสียดสีกันระหว่างวัสดุก็จะทำให้ประจุไฟฟ้าเหล่านี้จะเกิดการเปลี่ยนแปลงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวัสดุประเภทที่ไม่นำไฟฟ้าหรือที่เรียกว่า ฉนวน เช่น การนำลูกโป่งมาถูกับเส้นผม หรือการสัมผัสกันระหว่างรองเท้าหนังและพรมเช็ดเท้า สิ่งเหล่านี้จะทำให้เกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้า เป็นผลให้เกิดความไม่สมดุลของจำนวนประจุบวกและประจุลบในวัสดุแต่ละชิ้น ด้วยเหตุนี้วัสดุที่ต่างก็มีความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้าจึงมีความพยายามถ่ายเทประจุไฟฟ้ากับวัสดุอื่นๆ เพื่อสร้างความสมดุลให้กับตัวเอง และการแลกเปลี่ยนประจุไฟฟ้านี้เองที่เป็นสาเหตุของความรู้สึกที่คล้ายกับการถูกไฟฟ้าช็อตหรือที่เรียกว่า ไฟฟ้าสถิต

ประจุไฟฟ้า

คือ อำนาจทางไฟฟ้า วึ่งมี 2 ชนิด ได้แก่

  • ประจุบวก ที่จำนวนโปรตอนมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอน

  • ประจุลบ ที่จำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอน

ซึ่งวัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้า จะมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล็กตรอน

แรงระหว่างประจุ

มี 2 แบบ ได้แก่ แรงดูดและแรงผลัก ดังรูป

กฎการอนุรักษ์ประจุ

การทำให้วัตถุมีประจุไฟฟ้าด้วยวิธีต่าง ๆ จะเป็นการเคลื่อนย้ายประจุจากที่หนึ่งไปขังอีกที่หนึ่ง ซึ่งจะได้ว่าผลรวมของจำนวนประจุทั้งหมดคงที่เท่าเดิม การทำให้วัตถุที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเกิดประจุทำได้ 3 วิธี คือ

  • การขัดสี คือ การนำวัตถุ 2 ชนิดที่ต่างกันมาขัดสีกัน จะเกิดการแลกเปลี่ยนประจุ

  • การแตะสัมผัส คือ การนำวัตถุที่มีประจุมาแตะวัตถุที่เป็นกลางหรือมีประจุก็ได้การหาประจุหลังแตะ

  • การเหนี่ยวนำ คือ การนำวัตถุที่มีประจุมาเข้าใกล้วัตถุที่มีประจุหรือวัตถุที่เป็นกลางก็ได้หลังการเหนี่ยวนำแล้วประจุที่เกิดขึ้น

จะชนิดตรงข้ามกับที่มาเหนี่ยวนำ

การถ่ายเทประจุ

การถ่ายเทประจุไฟฟ้า หรือ Electrostatic Discharge เป็นการที่ประจุไฟฟ้าบนผิววัสดุ 2 ชนิดไม่เท่ากัน เกิดขึ้นจากความต่างศักดิ์ไฟฟ้า โดยหลังถ่ายประจุแล้ว วัตถุทั้งสองจะต้องมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน โดยประจุไฟฟ้ารวมจะยังคงเท่าเดิม

สนามไฟฟ้า (Electric Field)

  • Faraday เป็นผู้เสนอแนวความคิดของสนามไฟฟ้า โดยกล่าวว่า “จะเกิดสนามไฟฟ้าขึ้นรอบๆ วัตถุที่มีประจุซึ่งเรียกว่าประจุ ต้นกำาเนิด (source charge)

  • ถ้านำประจุทดสอบ (test charge ) q0 เข้ามาในบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าจะเกิดแรงกระทำต่อประจุทดสอบ

  • ขนาดของสนามไฟฟ้าจะมีค่าเท่ากับอัตราส่วนของแรงที่สนามนั้นกระทำกับประจุทดสอบต่อหนึ่งหน่วยประจุทดสอบ

เส้นสนามไฟฟ้า (Electric Field Line)

มีคุณสมบัติ ดังนี้

  • ประจุบวก : เส้นสนามไฟฟ้าพุ่งออก

  • ประจุลบ : เส้นสนามไฟฟ้าพุ่งเข้า

  • มีทั้งประจุบวกและประจุลบ : เส้นสนามจะพุ่งจากบวกไปลบ

  • เส้นสนามไฟฟ้าจะไปหยุดนิ่งที่ผิวของตัวนำทรงกลม ไม่พุ่งเข้าไปข้างใน

กฎของคูลอมบ์ (Coulomb’s Law)

Charles Coulomb เป็นผู้เสนอกฎของคูลอมบ์ ซึ่งกล่าวถึงแรงกระทำระหว่างประจุ ดังนี้

  • แรงระหว่างประจุจะเป็นปฏิภาคโดยตรงกับขนาดของประจุแต่เป็นปฏิภาคผกผันกับระยะทางระหว่างประจุ

  • แรงระหว่างประจุจะเป็นแรงดูดถ้าเป็นประจุต่างชนิดกันและเป็นแรงผลักถ้าเป็นประจุนิดเดียวกัน

  • ทิศของแรงจะอยู่ในแนวเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างประจุทั้งสอง

จุดสะเทิน คืออะไร

เป็นบริเวณที่ไม่มีสนามไฟฟ้า เนื่องจากทิศทางของสนามไฟฟ้า 2 บริเวณขึ้นไป มีทิศทางตรงกันข้ามกัน และขนาดพอๆกันหรือขนาดพอดีที่ทำให้สนามไฟฟ้าหักล้างกันหมด

แรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุในสนาม

สูตรสนามไฟฟ้าแม่เหล็กคู่ขนาน คือ E = V/d

โดย


E คือ สนามไฟฟ้า มีหน่วยเป้น นิวตัน/คูลอมบ์

V คือ ความต่างศักย์ระหว่างแผ่น มีหน่วยเป็น โวลต์

d คือ ระยะห่าง มีหน่วยเป็น เมตร


หมายเหตุ : สนามไฟฟ้าเป็นปริมาณเวกเตอร์ คิดทิศทางแต่ไม่ต้องแทนค่าเครื่องหมายประจุ

ศักย์ไฟฟ้า (Electric Potential)

เมื่อประจุอยู่ในสนามไฟฟ้า ประจุจะมีพลังงานศักย์ (E) เนื่องจากแรงทางไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุ เราเรียก พลังงานศักย์ไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยประจุว่า “ศักย์ไฟฟ้า”

ตัวเก็บประจุและความจุไฟฟ้า

(Capacitor and Capacitance)

  • ตัวเก็บประจุ คือ ตัวนำที่ทำหน้าที่เก็บประจุ

  • ความจุไฟฟ้า คือ อัตราส่วนของประจุต่อศักย์ไฟฟ้า

สื่อการสอน